發明奇妙的光

邊欄：超越紅寶石激光

經過九個月的深入研究，物理學家西奧多·梅曼希望能閃現出才華。

那是1960 年春天，梅曼一直在加州馬里布的休斯研究實驗室與助手伊尼·德哈恩斯(Irnee D'Haenens) 合作，看看是否可以透過用輻射照射微小的粉紅紅寶石晶體來產生一種新型光。

梅曼使用現成的部件與其他六個研究團隊競爭，所有團隊都在爭奪第一個產生強烈、細如鉛筆的可見光波束，這些可見光波在能量和波峰和波谷的對齊方面完美匹配。其他科學家已經宣稱粉紅紅寶石不能產生這樣的輻射。但梅曼對此深信不疑。

1960 年 5 月 16 日，他和德哈南斯一邊觀察示波器，一邊增加纏繞在小紅寶石棒上的閃光燈的電壓。強度急劇上升，隨後又急劇下降，顯示紅寶石確實發出了明亮、連貫的光脈衝。

梅曼、德哈南斯和幾位同事興奮不已，決定重複這個實驗，並檢查光束撞擊白色紙板螢幕時的情況。德哈南斯是色盲，一開始看不到水晶光的顏色。但在閃光燈的電壓調高後，紅寶石棒發出的光脈衝變得如此強烈，以至於其他人對紅色具有正常敏感度的眼睛都太刺眼而無法記錄訊號。

德哈南斯在 1985 年接受美國物理研究所採訪時回憶道，只有德哈南斯能夠看到明亮的馬蹄形紅光，這表明團隊已經創造了強大的光束，實現了光放大。

這確實是一個新的願景。德哈南斯見證了雷射的誕生。

五十年後，雷射在日常生活中的重要性可能僅次於電腦。從焊接分離的視網膜到在世界各地以光學方式傳輸電話，從每台 CD 播放器的心臟到危及生命的疾病的治療，雷射已經滲透到現代社會的幾乎每一個技術領域。

微生物學家通常使用低功率雷射作為鑷子輕輕推動細菌、細胞甚至 DNA。醫生透過柔性電纜發送雷射來殺死癌細胞、粉碎腎結石並摧毀人體內其他不必要的生長物。在更大的宇宙尺度上，射入太空的雷射使地面望遠鏡能夠產生清晰的天空影像。

愛因斯坦的想法

與 20 世紀物理科學領域的許多重要發現一樣，雷射的發明可以追溯到阿爾伯特愛因斯坦 (Albert Einstein)。儘管他在 1916 年還沒有類似雷射設備的概念，但他對光與物質之間的相互作用有著持久的興趣。當時，許多研究光的科學家關注兩個過程：自發吸收和自發性發射。

當適當能量的光照射到原子上時，就會發生自發性吸收。原子最外層的電子吸收能量（以光子的形式－光粒子），自發性地跳躍到下一個更高的能階。然而，在缺乏外部能源的情況下，電子就像沙發上的馬鈴薯一樣——它們會回落到盡可能低的能量，並在過程中吐出光子。因此，電子吸收光子的速度大約與電子吸收光子的速度一樣快，它也會自發性地發射光子。太陽的可見表面、燈泡的燈絲和燃燒的蠟燭的燈芯都因自發性輻射而發光。

但愛因斯坦表明，為了與量子理論和熱力學保持一致，還必須存在另一種類型的發射——受激發射，這為雷射奠定了基礎。愛因斯坦推斷，如果光撞擊原子可以激發電子，那麼它也可以迫使已經激發的電子輻射光並回落到較低的能階。

想像一堆原子，它們的電子因為吸收了光子而處於激發態。用第二個光脈衝刺激這些原子，光脈衝的能量與電子吸收的原始光的能量完全相同。愛因斯坦表明，第二個脈衝促使電子發射能量和動量彼此相同的光子。對於每個激發原子的傳入光子，現在有兩個傳出光子。

1916 年，愛因斯坦在給他的朋友米歇爾·貝索 (Michele Besso) 的信中寫道：“我對輻射的吸收和發射有了一絲清醒的認識。”

在接下來的二十年裡，一些物理學家萌生了利用受激發射產生高強度、相干輻射束的想法。每個發射的光子都會刺激其他仍處於激發態的電子，產生大量相同波長的光子，它們朝同一方向行進，就像一個軍團齊聲行進一樣。但沒有人知道如何將這個理論付諸實踐。

直到 1950 年代，受激發射才被用於開發微波激射器（雷射的微波近親）。

脈塞的出現

微波輻射及其與分子相互作用的研究得到了軍方的大力推動。第二次世界大戰期間，物理學家開發了使用普通無線電波來偵測敵機的雷達。由於雷達的波長越來越短，以便於使用，到戰爭結束時，軍隊已經擁有了過剩的先進微波設備，科學家們很樂意接受。其中一位科學家是一位名叫查爾斯·湯斯的年輕物理學家，他加入了哥倫比亞大學，並對分子如何吸收和釋放能量感到著迷。當時，軍方考慮到戰爭期間的許多科學回報，正在向物理研究投入大量資金，附加條件相對較少。 「軍事資金並不像現在這樣有針對性，」湯斯回憶道。

湯斯沉迷於研究被稱為毫米波的短波長微波，因為它們與原子和分子的相互作用比長波長的微波更強烈。他堅信，如果能夠以高強度產生這種輻射，將有助於更好地探測原子和分子結構。但沒有人知道如何產生穩定、強烈的毫米波源。由於湯斯被任命為海軍毫米波研究委員會主席，並且沒有任何進展需要報告，因此壓力越來越大。

1951 年 4 月 26 日，取得了突破。湯斯小心翼翼地不打擾他在富蘭克林公園酒店的室友、合作者和未來的妹夫阿瑟·肖洛(Arthur Schawlow)，他躡手躡腳地走出房間，坐在毗鄰公園的長凳上。湯斯回憶道，紅色和白色的杜鵑花盛開，但他的全部注意力都集中在毫米波難題上。

由於湯斯熟悉愛因斯坦的輻射理論，他知道光子源（包括微波）可以刺激原子或分子以完全相同的頻率發射光，從而增強傳出訊號的強度。但有一個重大障礙。他需要找到一種方法，使更多的電子保持在較高能階而不是處於較低能階。

處於熱平衡狀態（已達到與周圍環境相同的溫度）的原子團往往具有比激發電子更多的原子。因此，受激發射產生的訊號的任何暫時增強很快就會被最低能階的電子吸收。微波訊號不會產生淨增益，而是會產生淨損耗。

湯斯在他 1999 年的回憶錄中寫道：“我無法準確地回憶起推動我解決這個難題的整個想法，但關鍵的啟示來得突然。” 「熱力學第二定律假設熱平衡；但這不一定適用！有一種方法可以稍微扭曲自然。

如果可以建造一種裝置來保持一組原子或分子不平衡——其中更多的原子或分子處於較高能態而不是較低能態——那麼愛因斯坦的受激發射可能會導致輸入信號的真正放大。

湯斯的想法還不夠成熟，無法在海軍委員會會議上討論。但回到哥倫比亞後不久，他就全力追求這個想法。他的研究重點是用氘（一種氫的重同位素）製成的氨氣分子。

湯斯的策略是雙重的。首先，利用變化的電場，他將高能態的氨分子與低能態的氨分子分開。然後，他將高能量分子捕獲在一個空腔中，該空腔旨在保持它們發出的微波輻射在氣體中來回彈跳。這種輻射會刺激更多的電子發射微波，並對原始微波訊號產生越來越大的放大。

湯斯在哥倫比亞招募了兩名年輕的研究人員赫伯·齊格和吉姆·戈登來開發該設備。這項工作花了三年時間，並不是哥倫比亞物理系的每個人都有耐心。 1953 年的一天，該大學的一位諾貝爾物理學獎得主 II Rabi 和系主任 Polykarp Kusch（兩年後成為諾貝爾獎得主）拜訪了湯斯。他們告訴他不要再浪費時間了。

湯斯聽了，但忽略了兩位重量級人物的建議。 「幸運的是，我獲得了終身教職，」他說。

此外，他和他的學生有理由樂觀：幾乎立刻，他們就得到了受激發射的跡象。 1954 年 4 月初，戈登突然闖入湯斯舉辦的一場研討會，宣布放大技術已經實現。戈登和湯斯開發了第一個展示「受激輻射微波放大」的裝置－微波激射器（SNL：2/5/55，神父。 83）。

湯斯不知道的是，其他幾位研究人員也開始考慮關於微波激射器的類似想法。在馬裡蘭大學帕克分校，喬·韋伯發表了一篇短論文，提議使用受激發射作為輻射放大器。 1954 年，莫斯科列別捷夫物理研究所的亞歷山大·普羅霍羅夫(Aleksandr Prokhorov) 和尼古拉·巴索夫(Nikolai Basov) 寫了一篇關於使用鹼金屬鹵化物分子束產生微波振盪器的文章。

雷射的步驟

當大多數其他研究人員對微波激射器產生的集中光束感到驚嘆並致力於改進其設計時，湯斯卻跨越到了更短的波長——電磁波譜的紅外線和可見光部分。

「我想開發一種紅外線[微波激射器]，因為我看到有新的方法可以在紅外線波長下探測原子和分子，」湯斯說。 「當我坐下來，試著了解如何降低到這些波長，寫下方程式並檢查我的筆記時，」他說，「我意識到，『嘿，看起來我們可以直接降低到更短的波長——光波。

由於波長較短，光學版本的微波激射器提出了新的設計挑戰。一些物理學家甚至聲稱，根據他們對量子理論的理解，這永遠不可能實現。

但是，正如湯斯指出的那樣，科學家們熟悉紅外線和可見光波長下光與原子的相互作用。

湯斯與哥倫比亞大學的戈登·古爾德討論了可見光微波激射器的實驗安排。反射鏡系統將取代微波激射器的微波腔，使光源來回穿過精心選擇的材料，以激發激發的原子並放大輻射。

古爾德意識到這樣的設計，他創造了這個術語雷射（用於透過受激輻射進行光放大），可以產生清晰聚焦的高強度光束，其攜帶的能量比微波激射器產生的光束多得多。古爾德敏銳地意識到潛在的應用，他在當地一家糖果店對他 1957 年的筆記進行了公證。後來，這些筆記成為一場長達 30 年的專利戰爭的一部分，古爾德的想法最終得到了認可。

同時，Townes 和他的同事Schawlow（已搬到新澤西州默里山的貝爾實驗室）在1958 年發表的一篇具有里程碑意義的論文中詳細介紹了他們自己的概念和設計，題為“紅外線和光學微波激射器」（Infrared and Optical Masers）（SNL：2/7/59，神父。 83）。

讀完這篇論文後，幾個團隊加入了湯斯和肖洛的行列，參加了第一個建造裝置的競賽。每個小組都嘗試使用不同的材料或原子源來放大可見光。美國物理研究所的物理科學歷史學家斯賓塞·韋爾特指出：“很少會遇到這樣的情況，發令槍響了，每個人都同時發力。”

在貝爾實驗室，肖洛研究了一種作為雷射介質的固體材料，而同事阿里·賈萬、小威廉·R·貝內特和唐納德·赫里奧特正在研究氖氣。古爾德離開哥倫比亞加入一家私人研究公司 TRG，他向軍方提交了一份在雷射器中使用金屬蒸氣的提案。

1959 年 9 月，在紐約卡茨基爾山舉行的量子電子學會議上，很明顯其他團隊也加入了競爭，包括梅曼以及蘇聯研究人員巴索夫和普羅霍羅夫。在那次會議上，肖洛報告了他的分析，即粉紅色紅寶石不會成為可見光的良好雷射介質。

Schawlow 的主張是 Maiman 在 1960 年 5 月的成功令許多人感到驚訝的原因之一（SNL：60年6月23日，神父。 53）。一些科學家（其中許多人幾乎沒有聽說過梅曼）起初不相信這位加州研究人員搶走了東海岸的所有人，他們獲得了建造雷射的大部分資金和設備。

「這就像一匹馬在最後衝刺階段從外面衝上來，」韋爾特說。 “他們甚至不知道他參加了比賽。”

從一開始，梅曼就採取了與競爭對手不同的策略，旨在開發脈衝雷射器，而不是發射穩定的放大光束的設備，這使他能夠使用更基本的設備。他的裝置很小，看起來也很簡單：一根棒狀的紅寶石，兩端鍍銀以反射光線，裝在一個螺旋閃光燈內。

當燈以正確的能量閃爍時，它的光子會刺激紅寶石中的鉻離子發射出相同的可見光光子。這些光子被反射回紅寶石，反過來又刺激了更多相同光子的產生，直到實驗室從未實現的克隆體發光流衝破了設備一端的半銀鏡。

物理學家知道雷射不僅僅是微波激射器的可見光模擬。它可以探測和操縱比微波設備更小的亞原子結構（SNL：1/20/62，神父。 42）。

贏家和輸家

梅曼在發表他的發現時運氣非常糟糕。雖然他很快就提交了一篇文章物理評論快報，同樣很快就被著名理論物理學家編輯塞繆爾·古德斯密特（Samuel Goudsmit）拒絕，他錯誤地認為梅曼的裝置只是脈塞的一個不重要的變體。梅曼作品的簡短的四段描述確實出現在自然1960年8月。

那年七月，休斯公司在紐約舉行的記者會上宣傳了梅曼的發明，但公關攝影師認為梅曼的雷射看起來不夠強大。他說服梅曼使用比他實際使用的更大的手電筒和紅寶石棒擺姿勢。由於沒有發表的論文可供分析，許多研究人員依靠那張至今仍在分發的誤導性宣傳照片來複製梅曼的發現。

到了夏末，貝爾實驗室的研究人員確實成功製造自己的紅寶石雷射。公關人員再次介入，說服科學家將他們的設備（比梅曼的大得多）拖到位於默里山的貝爾總部的一座舊雷達塔上，並將雷射脈衝發射到克勞福德山的另一個鐘樓。SNL：10/15/60，Fr。 245）。這項宣傳噱頭吸引了一些媒體，許多記者似乎沒有意識到貝爾設備並不是第一台雷射。

古德斯密特同意發表的貝爾關於紅寶石雷射的研究論文可能對此事沒有幫助。物理評論快報，並沒有給予梅曼製造第一台雷射的榮譽。

1960 年 12 月，包括 Javan、Bennett 和 Herriott 在內的貝爾科學家團隊確實實現了一個新的里程碑，成功製造出第一台氣體雷射（產生穩定的而非脈衝光束），使用氦和氖作為光源。雷射材料。多年來，更複雜的穩定光束雷射將改變電子通訊和許多其他技術。

最終，1964 年湯斯、巴索夫和普羅霍羅夫獲得了首個雷射物理學諾貝爾獎，以表彰他們在開發該設備方面的理論和實驗工作。SNL：11/7/64，神父。 295）。肖洛因其對雷射光譜學的貢獻而榮獲 1981 年諾貝爾物理學獎（SN：81 年 10 月 24 日，第 10 頁261）。

總共有十多位從事雷射相關研究的研究人員獲得了諾貝爾獎。儘管梅曼入選國家發明家名人堂並贏得了多項國際獎項，但他從未獲得諾貝爾獎。古爾德也未能獲得諾貝爾獎，但他的法庭鬥爭最終為他贏得了數百萬美元的專利費。

韋爾特說，「我想除了湯斯之外，可能每個人都認為他們沒有得到應有的份額」。 「這就像一份遺產；每個人都認為他們應該獲得更大的份額，但只有 100% 的份額。

回顧過去，很明顯整個世界都受益於雷射——儘管並不像大眾最初想像的那樣。

1960 年 7 月的記者會上，一些報道梅曼發明揭幕儀式的記者將雷射宣傳為死亡射線。隨著雷射變得越來越強大，研究人員開玩笑地將它們稱為「一個吉列」或「八個吉列」設備，這取決於光束可以刺穿多少個剃刀片。 1964 年，詹姆士龐德 (James Bond) 電影大片金手指其特色是一束雷射可以切穿金屬桌子，也有可能切穿邦德。

不管最初宣傳的破壞性潛力如何，雷射已經在醫學、通訊和工業領域取得了重大進展。生物學家和物理學家繼續使用雷射來追求基礎科學。

考慮到愛因斯坦在發展雷射理論基礎方面的作用，它的應用之一是超精密月球雷射測距，以測試愛因斯坦的另一個理論——廣義相對論，這可能是最合適的。如果重力比他計算的弱，它可能會表現為地月距離的變化。

歷史學家韋爾特說，在雷射誕生 50 週年之際向愛因斯坦和其他科學之父致敬時，也許也應該承認另一個重要的參與者——光本身。

「我們應該稱讚光是一種如此神奇的現象，」他說。光子的本質“讓雷射能夠以如此美妙的方式使用這些波長。”

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